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上海交通大学博士学位论文 m g d y - n d ( g d ) 系合金组织与性能研究 摘要 镁合金由于强度低、变形能力弱和耐腐蚀性能差，至今未得到大规模的工 业应用。最新研究表明，镁及镁合金中加入一定量的重稀土元素( g d 、d y 和s m 等) 后具有显著的时效强化效应，可大幅度提升镁合金常规力学性能和高温耐热 性能，应用前景广阔。本文将系统研究一个新的镁合金体系m g d y - n d ( g d ) 系合金不同加工状态下的组织、结构、力学性能和断裂行为，重点研究清楚合 金的相形貌、结构、转变规律及强化机制，为研制高性能镁稀土合金提供实验 和理论依据。 m g d y - n d ( g d ) 系合金铸态组织和性能研究结果表明，d n 7 3 k 、d n l 0 3 k 、 d n l 0 3 k 和d g n 4 4 3 k 合金铸态组织均由初生基体相、存在于晶界的骨骼状 m g s r e ( f c ca = 2 2 4 r i m ) 相、以及位于骨骼状m 9 5 r e 相内部或者边缘的块状相 r e l 7 m 9 3 ( f c ca = 0 5 2 6 n m ) 组成。m g - d y - n d 合金中d y 含量增加或者用g d 替换 部分d y 后，合金中骨骼状相均有所增加，拉伸强度增加，塑性降低，解理断裂 特征更加明显。 m g - d y - n d ( g d ) 系合金固溶态组织和性能研究结果表明，经固溶处理后， d n 7 3 k 、d n l 0 3 k 、d n l 2 3 k 和d g n 4 4 3 k 合金晶粒尺寸增加，晶界骨骼状m 9 5 r e 相基本消失，沿晶界分布的块状r e l 7 m 9 3 相有长大趋势。同时，合金的强度和 塑性均较铸态合金有明显的提高，其断口解理面大部分由撕裂棱连接起来，表 现为穿晶断裂。 m g - d y - n d 一( g d ) 系合金时效硬化曲线和时效析出行为研究结果表明，该系合 金具有明显的时效硬化效应。m g d y - n d 系合金中d y 含量较低的d n 7 3 k 合金 时效析出序列为1 3 ”、b 1 和1 3 相；d y 含量较高的d n l 0 3 k 和d n l 2 3 k 时效析出 序列依次为1 3 ”、p 、1 3 , 和1 3 相；g d 代替部分d y 的d g n 4 4 3 k 合金的时效析出 序列依次为p ”、p l 和p 相。其中，沿 1 1 2 0 ) 面形成的b ”相( d o l 9 ，a = 2 a u g = 0 6 4 n m , l 摘要 c - c m g - o 5 2 n m ) 和椭球状p 相( b c o ，a = 0 6 4 0 n m ，b = 2 2 2 3 n m ，c = o 5 2 1 n m ) 均与基体 完全共格，它们和基体的取向关系分别为： 1 3 , , a ，( 1 1 0 0 1 3 ” 1 1 0 0 a 和 i v 西 1 0 0 ) b r 1 1 2 0 ) a ：沿 1 1 0 0 ) 面形成的板条状p l 相( c c a = o 7 4 n m ) 可形核于p 相，也可由p ”相直接转变而来，其与基体的取向关系为： l j l 西 1 1 1 f j l 1 1 2 0 ) a ；p l 相经共格转变形成稳定的p 相( c c a = 2 2 2 3 n m ) ，d 相为面心立方超结构，且与1 3 l 相具有相同的形貌及取向关系。 m g d y - n d 一( g d ) 系合金时效态力学性能和强化机制研究结果表明，时效初 期，合金的强度随着时效时间而增加，峰时效过后，合金的强度有迅速下降的 趋势，高温长时间时效处理后，合金的强度随时效时间的变化不明显。峰时效 态合金中的p ”相及p 相为主要强化相，强化机制为共格强化；当位错遇到早期 过时效态形成的1 3 l 相时，位错可穿过该相；当位错遇到过时效态形成的p 相时， 位错则绕过该相，从而形成o r o w a n 强化。峰时效态合金经室温变形后形成大量 的 1 0 1 2 型和一定的 1 0 1 1 ) 型形变孪晶。随着拉伸温度的升高，流变应力的降低 使得诱发孪晶的能力降低，从而使得合金形变孪晶的数量明显降低。高温变形 过程中( 高于2 5 0 。c ) ，p ”和p 相的消失及1 3 l 和1 3 相的形成使得位错更容易沿基面 及非基面滑移，从而使得合金的拉伸强度明显降低，塑性增加。其中，合金峰 时效态断口解理面光滑，解理断裂特征明显，早期过时效态和过时效态合金断 口均为解理断裂，断口有一定撕裂棱存在；随着实验温度的升高，合金峰时效 态断口由解理断裂向韧性断裂转变。 d n l 2 3 k 合金挤压态组织与性能研究结果表明，未均匀化处理的合金经3 5 0 挤压变形后，粗大的铸态骨骼状相得以破碎，合金的强度和塑性均有所提高； 均匀化处理后的合金经3 5 0 和4 5 0 挤压后，发生了动态再结晶，过饱和固溶 体内析出球状相，其结构与铸态骨骼状相的完全相同，合金的强度和塑性均得 到明显的提高，实验范围内挤压温度对合金组织性能的影响并不明显。挤压态 合金的断裂方式为韧性断裂。 关键词：m g - r e 合金，析出行为，晶体结构，力学性能，强化机制 上海交通大学博士学位论文 r e s e a r c h e so nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fm g d y - n d 一( g d ) a l l o y s a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v en o tb e e nw i d e l yu s e da sam a i ns t r u c t u r a lm a t e r i a ld u e t 0t l l e i rl o wt e n s i l es t r e n g t h ，l o wd e f o r m a t i o na b i l i t ya n d b a dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e r e c e n tw o r kh a ss u g g e s t e dt h a tm a g n e s i u ma l l o y sw i t ht h ea d d i t i o no fh e a v yr a r e e a r t he l e m e n t s ( g d ，d y , s m ，e t c ) h a v eo b v i o u sa g e i n gs t r e n g t h e n i n gr e s p o n s ea n d b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o ma n de l e v a t e dt e m p e r a t u r et h a nt h o s eo f c o n v e n t i o n a lm a g n e s i u ma l l o y s ，t h u sm a y b eh a v eb e t t e rf u t u r ea p p l i c a t i o n i nt h i s s t u d y , t h em i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df r a c t u r eb e h a v i o r so fan e w s e r i e so fm g - d y - n d - ( g d ) a l l o y sw i l lb es y s t e m i c a l l yr e s e a r c h e d ，o fw h i c ht h e m o r p h o l o g y , m i c r o s t r u c t u r e ，t r a n s f o r m a t i o nl a wa n ds t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo ft h e p r e c i p i t a t i o np h a s e sa r ef o c u s e do n t h ea i mo ft h ep r e s e n tw o r ki st op r o v i d e e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s u l t sf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c em a g n e s i u mr a r ee a r t ha l l o y s r e s e a r c h e so nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa sc a s t m g - d y - n d - ( g d ) a l l o y si n d i c a t et h a tt h ec a s tm i c r o s t r u c t u r e so fd n 7 3 kd n l0 3 k d n l 2 3 ka n dd g n 4 4 3 k a l l o y sc o n s i s to fa m gp h a s e ，s k e l e t a lm 9 5 r ep h a s e ( c c ， a = 2 2 4 n m ) a l o n gg r a i nb o u n d a r ya n dr e c t a n g u l a rr e i7 m 9 3p h a s e ( c ，ca = o 5 2 6 n m ) a ti n n e ra n df r i n g eo ft h es k e l e t a lp h a s e s t h ei n c r e a s i n ga m o u n t so fe u t e c t i cp h a s e s i nm g - d y - n da l l o y , 谢mi n c r e a s i n gc o n t e n to fd yo rr e p l a c i n gp a r to fd yb yg d ， r e s u l ti nb e t t e rt e n s i l es t r e n g t h ，l o w e re l o n g a t i o na n do b v i o u s c l e a v a g ef r a c t u r e r e s e a r c h e so nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o l u t i o nt r e a t e d m g - d y - n d - ( g d ) a l l o y si n d i c a t et h a tt h es k e l e t a lp h a s e sw i l lb ed i s p e r s e d ，a n dt h e i i i a b s t r a c t g r a i ns i z ea n dr e c t a n g u l a rr e l 7 m 9 3p h a s e sw i l lb o t hg r o wu pa f t e rb e i n gs o l u t i o n t r e a t e d ，w h i c hr e s u l ti nb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dt o u g h n e s s t h ef r a c t u r e f r a c t o g r a p h i e sa r ef u l lo ft e a r i n gr i d g e ，i n d i c a t i n gt r a n s g r a n u l a rf r a c t u r e r e s e a r c h e so nt h ea g e - h a r d e n i n gc b r v e sa n da g e i n gp r e c i p i t a t i o nb e h a v i o r so f m g - d y - n d - ( g d ) a l l o y si n d i c a t e t h a tt h e s ea l l o y s h a v eo b v i o u sa g e - h a r d e n i n g r e s p o n s e ，t h ep r e c i p i t a t i o ns e q u e n c ei nd n 7 3 ka l l o ym a i n l yi n v o l v e sf o r m a t i o no fd ”， p la n dpp h a s e s ，t h ep r e c i p i t a t i o ns e q u e n c ei nd n l 0 3 ka n dd n l 2 3 ka l l o y sm a i n l y i n v o l v ef o r m a t i o no fp ”，p ，p la n dpp h a s e s ，a n dt h ep r e c i p i t a t i o ns e q u e n c ei n d g n 4 4 3 ka l l o ym a i n l yi n v o l v e sf o r m a t i o no fp ”，p la n dpp h a s e s t h ep ”p h a s e s ( d o l 9 ，a _ 2 a m g - 0 6 4 n m , 萨c m g - o 5 2 n m ) ，p r e c i p i t a t e di n 11 2 0 ) p l a n e s ，a r ef u l l y c o h e r e n tw i mm a t r i xa n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n b ”a n d m a t r i xi s 矿 0 0 0 1h a n d 1 1 0 0 冷( 1 1 0 0 ) q ；t h eg l o b u l a rp p h a s e s ( b c 0 ， a = o 6 4 0 n m ，b = 2 2 2 3 n m ，e = 0 5 2 1 n m ) a r ef u l l y c o h e r e n t w i t hm a t r i xa n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np a n dm a t r i xi s i v l i ta n d 1 0 0 ) i t 11 2 0 ) a ；t h e p l a n ep l a t ed 1p h a s e s ( c 。ca = 0 7 4 r i m ) ，p r e c i p i t a t e di n 1 1 0 0 ) p l a n e s ，m a yn u c l e a t e f r o m 1 3 7 a n d p ”p h a s e s ， a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p l a n dm a t r i xi s l l h aa n d ( 1 1 1 ) 1 3 1 11 2 0 ) a ；t h ee q u i l i b r i u mpp h a s e ( c c a = 2 2 2 3 n m ) c a nb en u c l e a t e df r o m1 3 , p h a s eb yc o h e r e n tt r a n s f o r m a t i o n , a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nba n dm a t r i xi si d e n t i c a lt ot h a to f 3 1a n dm a t r i x r e s e a r c h e s0 1 1t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m so fa g e d m g - d y - n d - ( g d ) a l l o y si n d i c a t et h a t r o o mt e m p e r a t u r et e n s i l es t r e n g t ho fa l l o y s i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fa g e i n gt i m ed u r i n ge a r l i e ra g i n gt i m e ，t h es t r e n g t h d e c r e a s e ss h a r p l yw i t ha g e i n gt i m ee l o n g a t i o na f t e rp e a ka g e i n gt i m e ，a n dt h eh i g h t e m p e r a t u r es t r e n g t h d o n tv a r y o b v i o u s l ya f t e rl o n g e ra g e i n gt i m ea te l e v a t e d t e m p e r a t u r e t h ep ”a n dp7 ，p r e c i p i t a t e di np e a ka g e da l l o y s ，a r et h em a i n s t r e n g t h e n i n gp h a s e s ，w h i c hl e a dt oc o h e r e n ts t r e n g t h e n i n gf o rt h e i rc o h e r e n c ew i m m a t r i x t h ed i s l o c a t i o nc a ne x t e n da c r o s sp l ，h o w e v e r , t h em o v e m e n to fd i s l o c a t i o n 上海交通大学博士学位论文 m a yb eh i n d e r e db ypp h a s e s ，a n dt h e nt h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mw i l lb e o r o w a n s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m d e f o r m a t i o nt w i n s c a i lb ef o r m e di np e a ka g e da l l o y sa f t e r b e i n gd e f o r m e da tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h ed e c r e a s i n gn u m b e r so ft w i n sw i t h i n c r e a s i n ge x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r er e s u l tf r o md e c r e a s i n gc a p a b i l i t yo fi n d u c i n g t w i n sb yd e c r e a s i n gf l o ws t r e s s t h ed i s a p p e a r a n c eo fp ”a n d o rp c a na c c e l e r a t e b a s a la n dn o n - b a s a lp l a n e ss l i p p i n ga f t e rb e i n gd e f o r m e da te l e v a t e dt e m p e r a t u r e ， w h i c hr e s u l ti nl o w e rt e n s i l es t r e n g t ha n dh i g h e rp l a s t i c i t y t h ep e a l 【a g e d ，e a r l yo v e r a g e da n do v e ra g e df r a c t u r ef r a c t o g r a p h i e ss h o wc l e a v a g ef r a c t u r e s ，a n dt h ep e a k a g e df r a c t u r ef r a c t o g r a p h i e st r a n s f o r mf r o mc l e a v a g ef r a c t u r et od u c t i l ef r a c t u r ew i t h i n c r e a s i n ge x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r e r e s e a r c h e so nt h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fe x t r u d e d d n12 3 k a l l o y si n d i c a t et h a tt h ea s - c a s tc o a r s es k e l e t a lp h a s e sh a sb e e nd i s i n t e g r a t e d a f t e rb e i n ge x t r u d e da t3 5 0 c ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t ha n dt o u g h n e s sa r ei m p r o v e d a f t e rb e i n gu n i f o r m l yh e a tt r e a t e da n de x t r u d e da t3 5 0 4 ca n d4 5 0 c ，t h ec r y s t a l s t r u c t u r e so ft h e s ee l l i p t i c a lp a r t i c l e s ，p r e c i p i t a t e dd u r i n ge x t r u s i o np r o c e s s ，a r e i d e n t i c a lt ot h o s eo fs k e l e t a lp h a s e s ，a n dt h es t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yc a nb ei m p r o v e d o b v i o u s l y , b u ti nt h er a n g eo ft h i se x p e r i m e n t st h ee x t r u s i o nt e m p e r a t u r eh a v el e s s e f f e c to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt e n s i l es t r e n g t ho fe x t r u d e da l l o y s t h ef r a c t u r e f r a c t o g r a p h i e so fe x t r u d e da l l o y ss h o wd u c t i l ef r a c t u r e k e yw o r d s ：m g r ea l l o y s ，p r e c i p i t a t i o nb e h a v i o r , c r y s t a ls t m c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孳德、秽和 日期：3 谰i 年尹月7 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：孝馁尊军 日慧锡日 日期：伉辞中角7 日 指导教师签名：后 易谚 日期孵y 月夕日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 镁及镁合金的结构特性 1 1 1 纯镁的结构 纯镁的3 s 2 价电子结构排除了任何共价键现象，因此导致了具有最低的平均 价电子结合能和结构金属材料中最弱的原子间凝聚力f 1 】。镁的弹性模量 e m g = 4 5 g p a ，切变模量k m g 17 g p a ，而比弹性模量e p = 2 5 g p ac m 3 g ，与纯铝比 较，纯铝的附加共价键3 p 1 键使其以上性能的值均高出铝( e a a = 7 1 g p a , k a = 2 6 g p a , e p = 2 6 g p ac m 3 儋) 2 1 。所以可以通过研究镁的结构情况以指导研究理想金属态或 自由电子键情况，同时，了解纯镁的基本性质也有利于指导镁合金材料的设计 和镁合金产品的开发( 表1 1 ) 。 表1 - 1 纯镁的基本性质口铘 t a b l e1 - 1s o m eb a s i cp r o p e r t i e so f u n a l l o y e dm a g n e s i u m t e m p e r a t u r e n u m e r i c a l t e m p e r a t u r e n u m e r i c a l p r o p e r t yp r o p e r t y ( k ) v a l u e ( k ) v a l u e a t o m i c 1 2 m e l t i n gp o i n t 9 2 3 0 士o 5 k n u m b e r a t o m i cm a s s2 4 3 0 5 0 b o i l i n gp o m 1 3 6 3 k m i c r o s t r u c t u r e2 9 8 h e x a g o n a l d e n s i t y 2 9 8 1 7 3 6 k g m 3 e l e c t r i c a l 2 9 34 4 6 x10 。8 d m y o n g sm o d u l u s 2 9 8 4 5 g p a r e s i s t i v i t y h e a t 3 0 01 5 6w ( m 。k 1 t h e r m a l 2 9 82 5 o 1 0 击k e x p a n s i o n c o n d u c t i v i t y 8 0 01 4 6w f m l q8 4 53 0 0 1 0 k t o e f f i c i e n t 1 1 2 镁及镁合金变形的结构特性 1 1 2 1 镁及镁合金变形时的滑移 密排六方( 1 1 c p ) 金属中常见的晶面、晶向及滑移系如图1 1 所示睁1 0 1 。在h c p 点阵中，许多晶面具有给定的专有名称1 1 1 2 1 ，例如，基面 0 0 0 1 ) ，一级棱柱面 第l 页 第一章绪论 1 1 0 0 ) ，二级棱柱面 1 1 2 0 ) ，一级棱锥面 1 0 1 1 ) ，二级棱锥面 1 1 2 2 ) 等等。 密排六方金属中最可能的两个b u r g e r s 矢量是a 3 和1 3 ( c + a ) ， 其独立的滑移机制列于表1 2 中。具有ab u r g e r s 矢量的锥面滑移的四个独立的 滑移方式从晶体学上可以看作等同于基面和棱面滑移系之间的交滑移，所以当 交滑移发生时，对于ab u r g e r s 矢量只有四个可能的独立方式。由表1 2 可见， 只有充分开动具有c + ab u r g e r s 矢量的滑移系才能提供五个独立的滑移方式，满 足v o nm i s e s 判据。但c + a 滑移的b u r g e r s 矢量大，晶面间距小，因而位错芯较 窄，滑移不易发生。在实验中发现，通常c + a 滑移为辅助变形方式【1 3 1 。 纯镁的晶体结构为密排六方( h c p ) 结构( 图1 1 ) 【7 1 。由于密排六方结构金属通 常的可动滑移模式或者为基面( 如简单金属镁和铍) ，或者为棱面( 如过渡族元 素) 【1 4 ，1 5 1 ，且密排六方晶体的轴比c a 影响棱面滑移的出现，c a 较大的金属( c d 和z 以及接近理想e a 比( e a = ( 8 3 ) 2 = 1 6 3 3 ) 1 蝴( m g 、c o 等) 优先在基面滑移， 因此密排六方结构的镁，其塑性变形在低于4 9 8 k 时仅限于基面 0 0 0 1 ) 滑移及锥面 l o i 2 孪生1 6 , 7 , 9 , 1 5 】。但是，c o u r e t 等人则在较低的温度下( 3 0 0 k ) 观察到了镁单晶变形过程中棱面滑移的位错，甚至在1 5 0 k 的很低温度下看到了 螺位错在棱面上的跳动【1 6 】。与其它常用金属比较，如铝( c c 结构) 、铁( b c c 结 构) 、铜( c c 结构) ，镁的滑移系少是造成其塑性变形能力差的主要原因。在较高 温度下，由于晶体中 1 0 1 1 ) 面 方向滑移可以出现，从而使镁在高温下的 塑性增加。此外，由于密排六方晶体各晶面原子密排程度常随轴比( c a ) 值变化而 改变，因此在镁中加入锂( l i ) 、铟( 1 1 1 ) 和银( a g ) 等元素可以使轴比降低，如镁中加 入8a t l i 时轴比下降到1 6 1 8 ，从而激活棱柱滑移系 1 0 1 0 ) ，使镁合金 在较低温度下也具有良好的延展性【1 刀。 1 1 2 2 镁及镁合金变形时的孪生 密排六方结构金属室温变形中的滑移系较少，因而孪生在密排六方结构金 属材料中将扮演着十分重要的角色【1 8 捌。镁合金的变形机制有基面、柱面、锥 第2 页 上海交通大学博士学位论文 面滑移和锥面孪生，当外应力接近于垂直或平行基面作用时，基面和柱面滑移 的取向因子很小，不易启动，而这种外力的作用方向使锥面滑移和锥面孪生的 取向因子增大而易于启动，因此锥面滑移和孪生成为相互竞争的变形机制。当 外力的作用方向一定时，决定何种机制成为主要变形机制的因素则为不同锥面 滑移或孪生的取向因子以及启动不同锥面滑移或孪生的c r s s ，而影响锥面滑移 或孪生的c r s s 的因素有很多，如温度、变形速度、晶粒度等，因此影响孪生的 因素有很多，包括晶粒取向、变形温度、变形速度、晶粒尺寸、预变形等，它 们或单独或相互作用地影响孪晶的生成。 a l a y e r bl a y e r c l a y e r c 【0 0 0 1 】 1 2 0 】【1 0 1 0 ： 【2 1 1 0 】 p 试裂1 0 。0 ；00稃al 鹃是 【2 1 1 0 】 【1 0 1 0 】 i 2 i o 0 】 】 口i o 0 0 1 图l - lh c p 金属的晶体结构 f i g 1 1t h eh c p u n i tc e l lc r y s t a l ( a ) a t o m i cp o s i t i o n ，( b ) b a s ep l a n e ，af a c ep l a n ea n dp r i n c i p a lp l a n e so f t h e 压1 0 】z o n e ， 一 ( c ) p r i n c i p a lp l a n e so ft h e 【1 1 0 0 】g o n e ，( d ) p r i n c i p a ld i r e c t i o n s 第3 页 第一章绪论 ( 1 ) 晶粒取向 孪生的发生不仅与外加载荷的几何位相有关，还与载荷的类型有关( 拉伸或 亚缩) 。当外加载荷相同的情况下，晶粒取向则决定了孪生的发生。对于h c p 晶体，平行于c 轴方向受拉或垂直于c 轴受压产生的孪晶，称为拉伸孪晶；平行 于c 轴受压或垂直于c 轴受拉产生的孪晶，称为压缩孪晶。镁的c a = 1 6 2 3 6 ( 1 7 3 2 ， 最常见的 1 0 1 2 ) 孪晶为拉伸孪晶。图1 2 给出了h c p 金属主要孪生模式的剪切 应力s 与轴比c a 之间的关系。斜率为负时为拉伸孪晶，斜率为正时为压缩孪晶。 从图上可以看到，对于镁及镁合金， 1 0 1 2 ) 和 1 1 2 1 为拉伸孪晶，而 1 1 2 2 ) 和 1 0 i l ) 为压缩孪副2 1 1 。 表1 - 2h c p 晶体变形的独立滑移机制【1 0 1 t a b l e l - 2i n d e p e n d e n c em o d e so f t h ed e f o r m a t i o ni nh c p c r y s t a l s d i r e c t i o n s l i d i n gp l a n e l a t t i c ep a r a m e t e r+ m e c h a n i s mn u m b e r b a s a lp l a n es l i d i n g ap r i s mp l a n es l i d i n g ( 0 0 0 2 ) 1 1 0 0 ) 2 2 p y r a m i d a l p l a n es l i d i n g 1 1 0 1 4 c j j l 舫o o o o l 】 c + a p m a m i d a lp 1 锄e8 l i d i i l g h k i l 5 1 竺 茎；! 三盔三竺! ( 2 ) 变形温度 h c p 金属在室温变形中，启动孪生切变和非基面滑移的c r s s 远高于启动 基面滑移的c r s s 。当发生非弹性应变引起应力的高度集中时，孪生和非基面滑 移才有可能被启动，并成为互相竞争的两种塑性变形机制。由于孪生的c r s s 受温度的影响较小，孪生一旦形核，在很大的温度范围内，孪晶的生长比滑移 的传播更容易。因此，温度越低，非基面滑移越不易启动，孪生对塑性变形的 贡献越大。而在高温下，具有热激活特征的非基面滑移则成为释放应力集中、 第4 页 上海交通大学博士学位论文 协调塑性变形的主要机制，孪生对塑性变形的贡献减小2 2 ，2 3 1 。 。r ir e 脚孑r ； t - 。 z nc d 避堕吣i l l 4l 5l 61 7l 8 1 9 7 - c a d t x b ir 量t i o 图1 2h c p 金属孪生切变与轴比之间的关系 f i g 1 - 2v a r i a t i o no fi w i n n i n gs h e a rw i t ht h ea x i a lr a t i o nf 0 rt l l es e v e nh e x a g o n a lm e t a l s ( 3 ) 变形速度 孪生应力以及孪生取代滑移的倾向性对变形速度的依赖性非常敏感。一般 而言，随着变形速度的增加，交滑移及晶界滑移等主要由速度控制的塑性变形 机制可能来不及进行，在晶界或第二相处引起局部应力集中，使孪生的倾向性 增大，孪生应力随着变形速度的增大而降低。 ( 4 ) 晶粒尺寸 研究表明，在大小晶粒并存的镁合金中，孪生主要发生在粗晶内部，这是 因为粗晶内位错滑移程大，晶界附近应力集中严重，而细晶组织不仅位错滑移 程短，而且容易通过非基面滑移、晶界滑移以及动态回复等过程来释放局部应 力集中，应力状态难以满足孪晶形核的要求2 4 ，2 5 1 。 1 2 镁合金的应用需求 镁合金是工业生产中最轻的金属结构材料，纯镁的密度为1 7 4 9 c m 3 ，是铝 的2 3 ，铁的1 4 。镁合金有高的比强度，其比刚度与铝合金和钢相当。高纯镁 合金还具有优良的耐腐蚀性能，良好的导电导热性，优良的减震性能以及电磁 屏蔽性等优点。镁合金的力学性能优良，具有良好的切削加工性能和铸造性能， 第5 页 啦 凹 惦 帖 鸲 心 叫o -8ls键c-c鲁砧 第一章绪论 特别适用于进行高效率的压铸生产，易于回收利用，具有环保特性，被誉为“2 1 世纪绿色工程金属结构材料，【2 6 五9 1 。在当前日益严峻的能源与环境的压力下，着 手镁合金材料的大力研究与开发，加速开发镁的应用己经成为新千年的必然趋 势。 由于镁及镁合金具有许多优于其它常用金属材料的性能，使其在航空航天 工业中具有广阔的应用前景。适合应用于飞机、航天器的轻质外壳、蒙皮、减 震系统元件以及其他构件，其在进一步的相应研究推动下，镁合金在航空航天 应用中将有望大规模取代铝合金。 目前能源和环保问题正越来越受到世界各国的重视，这为镁合金的进一步 应用提供了广阔的空间。2 0 世纪7 0 年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节 能和尾气排放提出了越来越严格的限制3 3 1 。镁合金作为实际应用中最轻的金 属结构材料，在汽车的减重和性能改善等方面的作用正越来越受到人们的重视。 据研究，轿车每减少l o o k g 的重量，油耗就减少5 ，而如果全球每年生产的汽 车中每辆能使用7 0 k g 的镁，全球c 0 2 的年排放量就能减少3 0 以上，符合环保 要求。 电子工业是当今发展最为迅速的行业，也是新兴的镁合金应用领域 2 9 ，3 1 ，3 4 1 。 个人电脑、移动电话等使用时会发出高频电磁波，如果电磁波穿过机体外壳， 则会导致干扰信号、降低通讯和运算的质量，同时，还会对人体健康造成危害。 采用镁合金制造电子器材外壳不需要作导电处理，就能获得很好的屏蔽效果。 另外，镁制外壳还可以及时散出器件运行产生的热量，提高期间的工作效率和 使用寿命。 镁资源在全球范围内十分丰富，金属镁可以由菱镁矿、白云石矿、盐矿以 及海水中提炼制取，其资源具有高度的超国家可获得性。值得指出的是，尽管 我国是世界上镁储量最大的国家之一，但国内在军工、航天、运输等领域应用 的一些高性能镁合金材料仍需要进口，民用产品尚未进行广泛开发。因此，利 用我国丰富的资源和镁工业基础，研究具有高技术含量的高性能镁合金材料， 具有重大的现实意义。 第6 页 上海交通大学博士学位论文 1 3 镁合金的强化途径 工业纯镁的强度低，室温塑性差，不能直接用作结构材料【3 5 】。长期以来， 人们对镁合金的强化机理进行了大量研究，镁合金的强化通常有以下几个途 径，即固溶强化、析出强化、弥散强化以及细晶强化等。 ( 1 ) 固溶强化 固溶强化是提高合金耐热性能的基础【3 6 1 ，固溶强化时溶质原子固溶入基体 的晶格中，由于溶质原子与基体原子的原子半径和弹性模量不同使晶格发生畸 变，从而使合金得到强化【3 7 - 3 9 1 。 根据h u m e r o t h e r y 固溶度准则，当溶剂原子与溶质原子的半径差超过1 5 时，原子尺寸因素将不利于形成固溶体，固溶度将很小，这样我们就可以把能 与镁形成合金的元素示于图1 3 中【1 5 4 0 4 1 1 。稀土金属的原子半径与m g 的原子半 径的差别均在1 5 的范围之内，从而在镁中存在一定的固溶度。另一方面，相 同电子价，相同晶体结构的元素相互之间的固溶度大，对镁来说，符合条件的 元素只有c d 和z n 。另外，低价金属容易使高价金属固溶，因为额外电子的加 入提高了金属之间的结合能和结构的稳定性。然而，随着